Принципы измерения и регулирования температуры, приборы температурного контроля.

Под термином «температура» имеют в виду величину, характеризующую степень нагретости вещества. Непосредственно можно лишь весьма приблизительно оценивать температуру тела (холодное, тёплое, горячее, раскалённое), поэтому приходится прибегать к косвенным методам измерения температуры – к измерению таких физических свойств тел, которые однозначно связаны с их температурой и в то же время могут быть сравнительно просто и с большой точностью измерены. Для этой цели используют объёмное или линейное расширение тел при нагревании (дилатометрические термометры – ртутные и манометрические), изменение их электрического сопротивления (электрические термометры сопротивления), изменение развиваемой ими (в паре с другим телом) термоэлектродвижущей силы (термопары), изменение количества излучаемой ими энергии (пирометры излучения).

В электрических печах для измерения температуры и в качестве датчиков для автоматического управления температурным режимом применяют главным образом термоэлектрические термометры, а в высокотемпературных печах, особенно когда нужно измерить температуру жидкого металла, используют пирометры излучения.

Термоэлектрические термометры состоят из датчика (термоэлемента, термопары), измерителя термо-ЭДС и соединительных проводов. Термоэлементы состоят из двух разнородных проводников А и В (рис. 2.4.), соединённых друг с другом и образующих замкнутую цепь. Если температуры мест соединения проводников не одинаковы, то в образованной ими цепи появляется термо-ЭДС и начинает протекать ток. Значение

термо-ЭДС зависит от материала обоих проводников и разности их температур. Если температуру одного из соединений t0 поддерживать неизменной (например, как это принято, равной 0°С), то термо-ЭДС будет зависеть лишь от температуры t второго соединения (второго спая). Если цепь из двух таких проводников разрезать (в любом месте, в том числе и в одном из спаев) и вставить в цепь третий проводник (с на рис 2.4, б и в), то термо-ЭДС не изменится, если температуры обоих концов третьего проводника будут одинаковыми.

Рис. 2.4. Схемы термоэлектрической цепи из двух (а) и трёх (б, в) проводников; схемы включения электроизмерительного прибора в спай и термоэлектрод термоэлемента (г, д)

Следовательно, можно в разрез цепи вставить электроизмерительный прибор (рис.2.4, г и д); требуется лишь, чтобы на концах ведущих к нему от термоэлемента проводников была одна и та же температура t₀ или t₁ – они должны присоединиться к термоэлектродам рядом. Прибор будет измерять термо-ЭДС, а следовательно, и температуру t рабочего спая. Из принципа действия термоэлектрического термометра следует, что:

Способ изготовления рабочего конца термоэлемента (сварка, пайка, скрутка) не может влиять на развиваемую им термо-ЭДС, если размеры рабочего конца таковы, что температура во всех его точках одинакова;

Так как прибор в цепи термоэлемента измеряет не термо-ЭДС, а протекающий в это цепи ток, то необходимо, чтобы сопротивление цепи в эксплуатации оставалось неизменным и равным его значению при градуировке. Но осуществить это практически невозможно ввиду того, что сопротивление термоэлектродов и соединительных проводов меняется с изменением окружающей температуры. Отсюда возникает одна из принципиальных погрешностей метода – погрешность от несоответствия схемы её сопротивлению при градуировке.

Для уменьшения этой погрешности приборы для тепловых измерений выполняются высокоомными (50 – 100 Ом при грубых измерениях, 200 – 500 Ом при более точных) и с малым температурным коэффициентом сопротивления. В настоящее время, как правило, применяются потенциометрические методы измерения термо-ЭДС;

Термоэлектрические термометры градуируют всегда при определённой температуре свободного конца термоэлемента – при 0°С. Обычно в работе температура свободного конца отличается от градуировочной, в результате этого возникает вторая принципиальная погрешность метода – погрешность на температуру свободного конца термоэлемента. Так как эта погрешность может достигать десятков градусов, необходимо в показания прибора вносить соответствующую поправку. В современных приборах эта поправка вносится в их показания автоматически.

Любая пара проводящих разнородных материалов может быть использована для создания термо-ЭДС, однако лишь немногие из них применяются для изготовления термоэлектродов термопар. Эти материалы должны развивать высокую термо-ЭДС, значения которой должны быть по возможности приблизительно пропорциональны температуре. Материалы должны быть достаточно жаростойкими, чтобы длительно работать при рабочей температуре. Они должны также обладать в течение длительного времени неизменными физическими свойствами при нагреве до рабочей температуры, и их градуировка при этом не должна меняться.

Хорошо зарекомендовали себя и получили широкое распространение следующие термопары.

Платинородий-платиновая (ПП). Положительный электрод состоит из сплава платины «Экстра» (90%) и родия (10%), отрицательный электрод – из платины «Экстра». Ввиду дороговизны материала диаметр электродов обычно составляет 0,5 мм. Эти термометры могут быть применены для измерения температур длительно до 1300°С и кратковременно до 1600°С при использовании их в окислительной газовой среде. В этих условиях термопары зарекомендовали себя как очень надёжные. В восстановительной атмосфере термоэлектроды ПП науглероживаются и быстро разрушаются. В вакууме при 1250°с начинается довольно интенсивное распыление платины, вследствие чего допустимая температура их применения в вакуумных печах ниже, чем в печах с окислительной атмосферой.

При технических измерениях эти термопары обычно используются при температуре выше 1000°С, так как при более низких температурах можно использовать более дешёвые и удобные (с больше термо-ЭДС) термопары из других сплавов.

Хромель-алюминиевый (ХА) термоэлемент выполнен из специально разработанных сплавов хромеля и алюмеля и обладает сравнительно высокой термо-ЭДС и строго линейным характером её изменения в функции от температуры. Он предназначен для длительного измерения температур до 1000°С и кратковременного до 1300°С. В этих пределах он надёжно работает в окислительной атмосфере; образующаяся на его поверхности плёнка окислов защищает внутренние слои от окисления. Это наиболее распространённый термоэлемент.

Термоэлемент ПР-30/6 имеет положительный электрод, состоящий из платинородиевого сплава с содержанием родия 30%, и отрицательный – из такого же сплава, но с содержанием родия 6%. Он может работать при температуре до 1800°С, причём до 200°С его термо-ЭДС практически равна нулю, вследствие чего не требуется компенсация температуры свободного конца.

Для измерения самых высоких температур применяются вольфраморениевые термоэлементы (до 2100 - 2200°С) или термоэлементы, один из электродов которых состоит из чистого графита, а второй – из борида циркония (может раюотать до 2000°с) или карбида титана (до 2500°С.

Градуировочные кривые указанных и некоторых других термоэлементов даны на рис. 2.5.

Термоэлектроды промышленных термоэлектрических термометров выполняются из проволоки диаметром 2 – 3 мм. Они соединяются в рабочем конце сваркой и изолируются один от другого фарфоровыми бусами или соломкой. Оба термоэлектрода помещаются в фарфоровую защитную трубку с заваренным дном и в жароупорную металлическую арматуру, на конце которой надета штампованная или литая головка. В головке термоэлектроды соединяются с проводами, ведущими к измерительному прибору. Для термометров, работающих при температурах выше 1000 - 1200°С, применение металлической арматуры невозможно, вследствие чего термоэлектроды защищаются лишь фарфоровыми трубками и снабжаются арматурой только у свободного конца – в зоне низкой температуры. Огнеупорный фарфор может работать до 1500°С; при более высоких

Рис. 2.5. Кривые зависимости термо-э. д. с. от температуры для наиболее распространенных термопар. 1 — хромель-копелевая; 2 — железо-копелевая; 3 — медь-копелевая; 4 — ТГБЦ-350М; 5 — ТГКТ-360М; 6 — хромель-алюмелевая; 7 — платинородий-платиновая; 8 —ТМСВ-340М; 9 — ПР-30/6.

температурах применяются трубки и бусы из спечённой окиси алюминия или окиси бериллия.

Термопары с графитовым электродом выполняются без защитным трубок, так как их роль играет сам графитовый электрод, выполняемый трубчатым, со вторым электродом по его оси.

Сопротивление термоэлектродов стандартных термопар из неблагородных металлов составляет 0,13 – 0,18 Ом на 1м длины, для платинородий-платиновых (диаметром 0,5мм) – 1,5 – 1,6 Ом на 1м.

Тепловая инерция стандартных термопар очень велика, причём она определяется в основном фарфоровой защитной трубкой. В тех случаях, когда такая инерция датчика крайне нежелательна (например, при двухпозиционном регулировании),применяются термопары без защитной огнеупорно трубки с вваренными в дно защитной арматуры термоэлектродами или с очень тонкой фарфоровой трубкой.

Для того чтобы исключить при измерении температуры термоэлектрическими приборами погрешность от несоответствия сопротивления контура его сопротивлению при градуировке, применяется потенциометрический метод измерения термо-ЭДС. При этом методе термо-

ЭДС термоэлемента сравниватся с падением напряжения на участке реохорда Rр (рис.2.6.), питаемого от батареи А, в котором всегда поддерживается вполне определённый заданный ток. При измерении (ключ К включён, переключатель П в положении 2) движок реохорда передвигается до тех пор, пока нуль-прибор НП не покажет отсутствие тока в цепи термоэлемента, что будет соответствовать равенству термо-ЭДС и падения напряжения в левой

Рис. 2.6. Принципиальная схема потенциометра с постоянным током в компенсационной цепи

части реохорда. Так как в момент измерения ток в контуре термоэлемента отсутствует, то сопротивление этого контура и его изменения не могут влиять на результаты измерения.

При постоянном токе в реохорде падение напряжения в нём пропорционально его длине, поэтому реохорд можно отградуировать в милливольтах или непосредственно в градусах.

Для проверки тока в компенсационной цепи используется стабилизированный источник напряжения, например нормальный элемент Вестона НЭ (рис.2.6.), ЭДС которого сравнивается с падением напряжения на эталонном резисторе R_н,э, для чего переключатель П становится в положение 1. Так как ЭДС нормального элемента строго постоянна, моменту её равенства падению напряжения на R_н,э соответствует вполне определённый ток компенсационной цепи. Установка этого тока осуществляется при помощи реостата r. В современных автоматических потенциометрах такая стандартизация тока осуществляется периодически самим прибором.

Так как реохорд и эталонный резистор могут быть выполнены с очень большой точностью, так же как и поддержание неизменным тока в реохорде, то точность измерения в потенциометрах может быть доведена до 0,1%. Технические приборы выпускаются класса точности 0,5.

Как уже отмечалось, температура свободного конца термопары может весьма сильно отличаться от градуировочной и достигать 100°С, особенно если головка термопары находится около кожуха печи. Для того чтобы снизить температуру свободного конца и её изменения во времени, надо довести конец до помещения, где температура сравнительно стабильна, например до зажимов измерительного прибора, расположенного на щите управления. Однако вести термоэлектроды по помещению до указанного места неудобно, так как они выполнены из жёсткой проволоки без изоляции, а некоторые чересчур дороги (например, платина и её сплавы). Поэтому головку термопары соединяют с измерительным прибором не самими термоэлектродами, а компенсационными про­водами — многожильными, гибкими, в изоляции, кото­рыми удобно вести монтаж. Эти провода состоят также из двух материалов (прямой и обратный провод), кото­рые подбирают таким образом, чтобы в паре друг с дру­гом они давали в пределах 0—100 °С такую же термо-ЭДС, как и основные термоэлектроды при таких же тем­пературных условиях. Для каждого типа термоэлемента имеются свои компенсационные провода, отличающиеся, чтобы их не спутать, своей маркировкой оплетки. Для того чтобы исключить погрешность от колебаний темпе­ратуры в измерительном приборе, к которому подведен свободный конец (с помощью компенсационных прово­дов), последовательно с термопарой в приборе включа­ется мост компенсации температуры свободного конца (рис. 2.7.). Он состоит из резисторов R_i, R₂, R_z, R_A, а его диагональ питается постоянным током от выпрямителя В. Из этих резисторов три выполняются из манганина, и их сопротивления не зависят от окружающей темпера­туры, а резистор R_i — из меди или никеля и размещается около места присоединения компенсационных прово­дов с тем,

Рис. 2.7. Принципиальная схема моста компенсации температуры свободного конца термопары.

чтобы их температуры были одинаковы. Со­противление R_i рассчитывается таким образом, чтобы при 0°С мост был уравновешен и напряжение на его выходной диагонали cd равнялось нулю. Если же темпе­ратура резистора R_i (а следовательно, и свободных кон­цов компенсационных проводов) повысится, то на вы­ходной диагонали моста появится напряжение, которое компенсирует уменьшение термо-ЭДС термоэлемента, вызванное нагревом его свободного конца.

Современные автоматические потенциометры содер­жат такой мост компенсации температуры свободного конца термоэлемента. Принципиальная схема такого по­тенциометра показана на рис. 2.8. Реохорд R_р включен в схему моста компенсации температуры свободного кон­ца термоэлемента из четырех резисторов, из которых R_А, R_B, R_K выполнены из манганина, a R_M —из меди. Падение напряжения на реохорде в сумме с напряжени­ем выходной диагонали моста должно уравновешивать термо-ЭДС термоэлемента Т; в этом случае поступаю­щий на вибропреобразователь ВП (схема в положении «Измерение», переключатель П в верхнем положении И) сигнал равен нулю. Если же баланс нарушается (термо-ЭДС термоэлемента становится больше или меньше по­тенциала между точками А и В), то на вибропреобразо­ватель подается сигнал разбаланса того или иного знака.

Рис.2.8. Принципиальная схема автоматического потенциометра

Этот сигнал в вибропреобразователе превращается в сигнал переменного тока, который через трансформатор Т_р подается в усилитель переменного тока У. Усиленный сигнал передается на реверсивный двигатель РД и при­водит его во вращение. Направление вращения двигате­ля зависит от фазы сигнала. Он может совпадать по фа­зе с напряжением питающей сети или может быть сдви­нут на 180° в зависимости от полярности сигнала, т. е. от того, что больше — термо-ЭДС или напряжение U_AB . Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда в сто­рону восстановления баланса и одновременно указатель температуры УТ с пером, записывающим эту температу­ру на двигающейся вниз бумажной ленте БЛ.

Переключатель П периодически переключается в нижнее положение К, при этом вибропреобразователь оказывается подключенным к сумме напряжения нор­мального элемента НЭ (или другого стабилизированно­го источника напряжения) и падения напряжения на эталонном резисторе R_K, 'входящем в мост компенсации температуры свободного конца. Эти напряжения направ­лены противоположно, поэтому, если они равны и, сле­довательно, ток моста (а значит, и реохорда) соответст­вует заданному, то результирующий сигнал равен нулю. Если же ток моста отклонился от заданного значения в ту или иную сторону, то на вибропреобразователе появ­ляется сигнал того или иного знака и реверсивный дви­гатель, который при переключении переключателя П отключился от реохорда и подключился к реостатам тон­кой и грубой регулировки R_i и R₂, включенным в питаю­щую диагональ моста, начинает перемещать их движки в нужную сторону. Тем самым восстанавливается равен­ство между падением напряжения на резисторе R_K и напряжением нормального элемента, а следовательно, и заданное значение тока реохорда.

Класс точности современных автоматических потен­циометров равен 0,5 и даже 0,25; для обслуживания электропечей прецизионного нагрева применяются узко­предельные потенциометры со шкалой ±125, 250 и 500 мкВ, на которые подается лишь небольшая часть раз­виваемой термоэлементом термо-ЭДС, в то время как основная ее часть уравновешивается «подавителем ну­ля» — добавочным прецизионным источником напряже­ния. Это позволяет регистрировать не полное значение температуры, а лишь ее колебания в узких пределах, но точность регистрации может достигать 0,1°С.

Автоматические потенциометры используются не толь­ко для записи, но и для регулирования температурного режима печей.

В тех случаях, когда измерение температуры объекта путем непосредственного контакта с ним датчика невоз­можно из-за слишком высокой температуры, агрессивно­го характера среды или быстрого перемещения объекта, применяют пирометры излучения, основанные на связи между температурой тела и количеством излучаемой им энергии. При этом можно использовать для измерения температуры излучающего тела всю излучаемую им энергию — в этом случае мы будем иметь дело с пирометрами полного излучения, или радиационными. Можно использовать лишь часть спектра излучения, выделив с помощью светофильтра узкий участок монохроматичес­кого излучения (пирометры частичного излучения, или оптические). Наконец, можно выделить два монохрома­тических участка излучения в разных частях спектра и судить о температуре объекта, сравнивая их интенсив­ность, — на этом основаны цветовые пирометры.

В радиационных пирометрах полное излучение тела направляется с помощью оптической системы на рабочий конец термоэлемента и нагревает последний. Чем выше температура излучающего тела, тем больше его излуче­ние и тем больше, следовательно, температура рабочего конца термоэлемента и его термо-ЭДС. Поэтому такой прибор можно градуировать непосредственно на темпе­ратуру измеряемых тел.

Но так как излучение тела зависит не только от его температуры, но и от его коэффициента теплового излу­чения, разные тела при одной и той же температуре бу­дут посылать на рабочий конец термоэлемента пиромет­ра разное количество энергии. Поэтому градуировку этих пирометров производят по специальной эталонной лампе, имеющей свойства абсолютно черного тела. При измерении температуры реальных физических тел пиро­метр будет показывать меньшую против действительной яркостную температуру интегрального излучения. Для большинства нагреваемых в электрических печах изде­лий и материалов, поверхность которых окислена, коэф­фициент теплового излучения ε = 0,9÷0,7, и для них по­грешность измерения составит 2,5—9,0%. В случае нагрева в защитной атмосфере или в вакууме, когда по­верхность тел блестящая и ε достигает 0,4—0,3, погреш­ность равна 25—35%. Поэтому с помощью радиационно­го пирометра нельзя вести точное измерение температу­ры, пользоваться им можно лишь в случаях, когда по­верхность объекта излучения близка по своим свойствам к абсолютно черному телу или точно известен коэффи­циент теплового излучения тела, температуру которого надо измерить.

Значительно более точными по сравнению с радиа­ционными являются оптические пирометры (пирометры частичного излучения). Они работают на принципе срав­нения яркости свечения измеряемого тела с яркостью свечения нити электрической лампочки, температура ко­торой однозначно связана с проходящим через нее то­ком. Сравнение осуществляется наблюдателем, причем человеческий глаз способен весьма точно уловить момент равенства яркостного свечения обоих объектов, когда температуры и нити, и измеряемого тела будут равны и могут быть определены по показанию включенного в цепь лампы прибора, заранее проградуированного непосредст­венно в градусах.

При работе с оптическим пирометром используют не всю энергию излучения нити и измеряемого тела, а лишь часть ее в зоне красного излучения с максимумом интен­сивности при длине волны около 0,65 мкм. Для этой цели перед глазом наблюдателя установлен красный фильтр задерживающий все волны с длиной менее 0,62 мкм С другой стороны зона ограничена чувствительностью че­ловеческого глаза, которая спадает до нуля для лучей с λ=0,7 мкм.

Использование монохроматического излучения в об­ласти видимой части спектра вызвано тем, что интенсив­ность этого излучения растет с увеличением температуры намного быстрее по сравнению с интегральным излуче­нием, и поэтому малые изменения температуры дают при этом большие отклонения яркости, что намного повышает точность измерения. Выбор красного светофильтра, обес­печивающего работу прибора с монохроматическим из­лучением при λ=0,65 мкм, обусловлен желанием произ­водить измерения сравнительно низких температур (700—1000°С), так как в этом диапазоне интенсивность красного излучения наибольшая.

Оптические пирометры, как и радиационные, градуи­руют по излучению абсолютно черного тела. Поэтому при измерении температур реальных тел они показывают более низкую по сравнению с действительной — так на­зываемую яркостную монохроматическую температуру, т. е. температуру абсолютно черного тела, при которой интенсивность монохроматического излучения последне­го равна интенсивности монохроматического излучения реального тела. Однако погрешность от неполноты излу­чения у оптического пирометра меньше, чем у радиацион­ного. Так, при коэффициенте теплового излучения 0,9— 0,7 погрешность в измерении равна 7—25 °С при изме­рении температуры около 1000 °С и 15—50 °С при изме­рении температуры 1500 °С, т. е. достигает 0,7—3,0%. Тем не менее для неокисленных тел (в вакууме, защит­ной атмосфере) с ε=0,3÷0,4 эта погрешность может достигать 100 °С.

Схема оптического пирометра показана на рис. 2.9. Он представляет собой телескоп, в котором изображение нагретого тела проектируется объективом 3 на плоскость вольфрамовой нити специальной лампы накаливания 1; это изображение и нить можно рассматривать через оку­ляр 4,причем наблюдатель видит на фоне тела либо бо­лее темное, либо более светлое изображение нити. Регу­лируя реостатом 2ток в лампе, можно добиться полного исчезновения средней части нити на фоне измеряемого тела, что соответствует равенству их температур. Вклю­ченный в цепь нити накала лампы миллиамперметр зара­нее градуируется в градусах и, следовательно, показывает температуру нити, поэтому по нему можно прямо прочесть измеряемую яркостную температуру.

Рис. 2.9. Оптический пирометр с исчезающей нитью

.

В окуляре имеется красный светофильтр 5 с механиз­мом установки 6, обеспечивающий сравнение яркости нити и нагретого тела в лучах с длиною волны 0,65 мкм. Для того чтобы иметь возможность измерять более вы­сокие температуры, используется нейтральный (дымча­тый) светофильтр 7, который может быть установлен при помощи механизма 8 между объективом и лампой. Этот светофильтр задерживает часть лучей, идущих от измеряемого тела, и яркость нити сравнивается с пони­женной яркостью объекта. Применяя несколько таких фильтров с разной степенью поглощения, можно полу­чить несколько температурных диапазонов применения пирометра. Нижняя граница измеряемых температур равна 700 °С, наивысшая может быть доведена до -4000 °С.

Оптические пирометры в отличие от радиационных требуют наблюдателя и поэтому не могут быть исполь­зованы для регистрации или автоматического регулиро­вания. В последних случаях необходимо заменить на­блюдателя чувствительным к интенсивности излучения датчиком, например фотоэлементом, при этом подбира­ют такие фотоэлементы, чтобы они вместе с соответст­вующими светофильтрами обеспечивали измерение в нужном узком диапазоне волн.

На рис. 2.10. показана принципиальная схема яркостного фотопирометра. Световой поток от измеряемого объекта через линзу 1, диафрагму 2 и светофильтр 3 попадает на фотоэлемент 4, включенный в цепь источника постоянного тока. В зависимости от освещенности фото­элемента

Рис. 2.10. Принципиальная схема яркостного фотоэлектрического пирометра.

меняются ток в последнем и напряжение на ре­зисторе 5, а следовательно, и потенциал сетки лампы 6. В результате изменяются анодный ток лампы и падение напряжения на резисторе 7, которое сравнивается с по­мощью нуль-прибора НП с падением напряжения на рео­хорде 8. Движок последнего показывает температуру.

Фотопирометры используются как для измерения, так и для регистрации и регулирования температур.